壓力傳感器芯體材質(zhì)采用單晶硅的優(yōu)勢(shì)

2024

04-13

07:06:33

 19

來源：宏浩機(jī)械·德國瑞科

　　壓力傳感器芯體材質(zhì)采用單晶硅的優(yōu)勢(shì)

　　硅在集成電路和微電子器件生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，主要是利用硅的電學(xué)特性；在MEMS微機(jī)械結(jié)構(gòu)中，則是利用其機(jī)械特性，繼而產(chǎn)生新一代的硅機(jī)電器件和裝置。硅材料儲(chǔ)量豐富，成本低。硅晶體生長(zhǎng)容易，并存在超純無雜的材質(zhì)，不純度在十億分這一的量級(jí)，因而本身的內(nèi)耗小，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)可高達(dá)10^6數(shù)量級(jí)。設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)奈⒒顒?dòng)結(jié)構(gòu)，如微傳感器，能達(dá)到極小的遲滯和蠕變、的重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及高可靠性。所以用硅材制作硅壓阻壓力傳感器，有利于解決長(zhǎng)困擾傳感器領(lǐng)域的3個(gè)難題——遲滯、重復(fù)性及長(zhǎng)期漂移。

　　硅材料密度為2.33g/cm^2，是不銹鋼密度的1/3.5，而彎曲強(qiáng)度卻為不銹鋼的3.5倍，具有較高的強(qiáng)度/密度比和較高的剛度/密度比。單晶硅具有很好的熱導(dǎo)性，是不銹鋼的5倍，而熱膨脹系數(shù)則不到不銹鋼的1/7，能很好地和低膨脹Invar合金連接，并避免熱應(yīng)力產(chǎn)生。單晶硅為立方晶體，是各向異性材料。許多機(jī)械特性和電子特性取決于晶向，如彈性模量和壓阻效應(yīng)等。

　　單晶硅的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)高。在同樣的輸入下，可以得到比金屬應(yīng)變計(jì)更高的信號(hào)輸出，一般為金屬的10-100倍，能在10^-6級(jí)甚至10^-8級(jí)上敏感輸入信號(hào)。硅材料的制造工藝與集成電路工藝有很好的兼容性，便于微型化、集成化及批量生產(chǎn)。硅可以用許多材料覆蓋，如氮化硅，因而能獲得優(yōu)異的防腐介質(zhì)的保護(hù)。具有較好的耐磨性。

　　綜上所述，硅材料的優(yōu)點(diǎn)可歸為：優(yōu)異的機(jī)械特性；便于批量微機(jī)械結(jié)構(gòu)和微機(jī)電元件；與微電子集成電路工藝兼容；微機(jī)械和微電子線路便于集成。

　　正是這些優(yōu)點(diǎn)，使硅材料成為制造微機(jī)電和微機(jī)械結(jié)構(gòu)主要的優(yōu)選材料。但是，硅材料對(duì)溫度極為敏感，其電阻溫度系統(tǒng)接近于2000×10^-6/K的量級(jí)。因此，凡是基于硅的壓阻效應(yīng)為測(cè)量原理的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，這是不利的一面；而可利用的一面則是，在測(cè)量其他參數(shù)的同時(shí)，可以直接對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。

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